数字隔离器输出并联电平异常的原因与解决方案

文章来源：纳芯微电子

在工业系统 SPI 一主多从通信架构中，为节省 IO 资源，数字隔离器输出通道并联复用是常见设计，但实际应用中极易出现电平无法正常拉高 / 拉低的异常问题，严重影响通信稳定性。本文先梳理工业系统主流通信方式及 SPI 隔离的应用场景，深入剖析数字隔离器输出并联导致电平异常的核心原因，再针对性给出两种经实测验证的解决方案(CS 反向使能电路、二极管反向阻断配合软件配置)，并明确实施过程中的关键注意事项，为工程师解决同类 SPI 隔离通信问题提供直接参考。

01工业系统常见通信方式

通信接口是硬件系统中实现数据交换的核心模块，常分为内部通信接口（板级通信）、外部通信接口（对外通信），如图1，不同接口在速率、距离、复杂度等方面各有特点，是纳芯微产品主要的应用场景之一。

图1 板级通信和对外通信

板级通信

板级通信为设备内部组件间的通信，通常具备速度快、距离短的特性，通常具备速度快、距离短的特性，常见有UART、I2C、SPI、单总线等。具体参数如表1所示：

表1 板级通信具体参数

对外通信

对外通信为设备级信号传输，用于实现设备间的数据交互，多采用差分传输方式，具备传输距离远的优势，常见类型包括 RS-232、RS-485、CAN 等，具体参数如下表所示：

表2 对外通信具体参数

02隔离SPI机会点

SPI全称为Serial Peripheral Interface（串行外设接口），由摩托罗拉公司开发的一种同步、全双工、主从式串行通讯总线，可以实现一主多从的通讯连接。

在硬件连接方式上，SPI常用4线制（SCK、MOSI、MISO、CS/SS），各信号线的传输方向及功能描述如下表3所示：

表3 SPI各信号线的传输方向及功能

SPI一主多从的通讯拓扑，MOSI、MISO、SCK常采用复用接口，节省IO资源，通过独立的CS/SS实现从机选择。如图2所示。

图2 SPI 一主多从基础拓扑

在工业系统中，MCU高压域与低压域之间需要做通讯隔离，纳芯微隔离器NSI8241W（3正1反）适用于SPI信号隔离。对于一主一从的隔离方式，4通道刚好一对一匹配（3正向通道对应SCK、MOSI、CS/SS，1反向通道对应MISO）。对于一主多从的拓扑架构，同样会复用通道节省IO资源，如图3示例。

图3 带数字隔离器的SPI主多从拓扑

03数字隔离器输出并联问题及解决方案

数字隔离器隔离SPI复用通道实际测试时，会发现复用MISO会出现电平异常，当一路输入高，一路输入低的情况下，MISO不能完全被拉高或者拉低。如图4，两颗8241 Out口复用，输入分别给高、低时，MISO波形。

图4

Vdd1=Vdd2=5.25V，IND1高，IND2低

黄色OutD1=蓝色OutD2≈2.5V

数字隔离器Out内部为推挽输出：输入为高时，推挽上管导通，输出高电平；输入为低时，推挽下管导通，输出低电平。当输入一高一低时，就会形成分压回路，造成MISO电平异常，如图5，这显然与SPI中规定MISO复用冲突（当SS拉低使能时，从机输出配置为推挽输出，当SS拉高时，从机输出需配置为高阻态，防止多个输出导致电平冲突）。

图5 数字隔离器内部分压回路

查阅NSI8241真值表（如图6所示），当EN拉低时，数字隔离器可以输出高组态，能够满足SPI复用要求。因此我们给出以下电路调整方案，来实现数字隔离器输出口并联复用需求。

图6 NSI241真值表

方案1

CS 处增加反向电路，同步使能数字隔离器

在CS处增加反向电路（NPN、PNP、反相器等，需考虑Vce压降）同步使能数字隔离器。CS拉高禁用时，数字隔离器EN拉低禁用，Out复用输出高，如图7、图8所示：

图7 CS反向接EN电路(NPN举例，多路片选)

图8 两路CS、EN复用

方案2

二极管反向阻断 + 软件配置，实现并联复用

通过二极管进行反向阻断，配合软件配置合理实现数字隔离器输出并联复用，如图9、图10所示：

图9

未片选从机IND始终给低

图10

未片选从机IND始终给高

但需要注意的是：

（1）需添加上下拉电阻，明确默认电平，同时满足信号上升沿、下降沿的时间要求；

（2）需考虑二极管压降对电平幅值的影响，避免因压降导致通信误判；

（3）当一路输出通道由高电平切换至低电平时，受寄生参数影响，可能会短暂通过二极管抽取另一通道电流，需重视由此产生的电压尖峰问题。

结论与建议

在工业 SPI 一主多从隔离通信场景中，数字隔离器输出通道并联复用是节省 IO 资源的常用方案，但因隔离器内部推挽输出结构，直接并联易导致电平异常。本文通过分析异常产生的核心原因，提供了两种经实测验证的解决方案（CS 反向使能电路、二极管反向阻断 + 软件配置），同时明确了实施过程中的关键注意事项。工程师在实际设计中可根据项目需求选择合适方案，规避电平异常问题，保障 SPI 通信的稳定性。

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